CN105243196A - 变电站二次回路仿真建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种变电站二次回路仿真建模方法，包括以下步骤：S1，根据二次回路元件属性，将变电站二次回路仿真建模的模型系统分成图模一体化并指向具体一类元件的三级模型，建立元件数学模型库；S2，通过可视化编辑工具将模型实例化，进而生成变电站仿真二次回路，并将所述元件数学模型库的库文件设置为XML格式；其中，所述可视化编辑工具是基于QT框架的C语言编写。应用本发明所述的变电站二次回路仿真建模方法，元件数学模型库建立合理、准确，不依赖于某一特定仿真系统，具有合理、准确、通用的优点。

Description

变电站二次回路仿真建模方法
技术领域
本发明涉及电力系统二次回路仿真建模领域，更具体地说，本发明涉及一种变电站二次回路仿真建模方法。
背景技术
电力系统的电气设备分为一次设备和二次设备。一次设备是构成电力系统的主体，是直接生产、输送和分配电能的设备，主要包括发电机、电力变压器、断路器、隔离开关、电力母线、电力电缆和输电线路。二次设备是对一次设备进行控制、调节、保护和检测的设备，包括控制器具、继电保护和自动装置、测量仪表、信号器具等。二次设备通过电压互感器和电流互感器与一次设备电气联系。一次设备及其连接的回路成为一次回路。二次设备按照一定的规则连接起来实现某种技术要求的电气回路成为二次回路，其包括发电厂和变电所一次设备的控制、调节、继电保护和自动装置、测量和信号回路以及操作电源系统等。
随着电力系统规模的不断扩大，变电站的一次系统和二次系统越来越复杂，需要专业人员在理论探索的基础上，结合电力系统的试验。二次回路仿真系统是针对变电站二次回路仿真建模，对二次回路实时电气状态进行仿真计算，模拟其元件动作逻辑，从而形成一个与实际回路一致的动态的仿真环境，供给培训和研究之用。
组成二次回路的基本单位是元件，例如各种类型的继电器、触点等。二次回路仿真的基础即二次回路元件仿真，元件模型的合理性、正确性直接决定仿真系统的实时性、准确性。现有技术中，元件模型中元件属性模型建立欠合理、依赖某一特定系统、特定接口、特定文件格式，都阻碍了电力系统中二次回路的仿真建模的发展，针对变电站二次回路仿真建模的合理性和通用性研究，对电力系统的运行和研究都具有重大意义。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种变电站二次回路仿真建模方法，元件数学模型库建立合理、准确，不依赖于某一特定仿真系统，具有合理、准确、通用的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明所述的变电站二次回路仿真建模方法，包括以下步骤：
S1，根据二次回路元件属性，将变电站二次回路仿真建模的模型系统分成图模一体化并指向具体一类元件的三级模型，建立元件数学模型库，
S2，通过可视化编辑工具将模型实例化，进而生成变电站仿真二次回路，并将所述元件数学模型库的库文件设置为XML格式；
其中，所述可视化编辑工具是基于QT框架的C语言编写。
优选的是，步骤S2中通过基于QT框架的C语言进行编写将所述元件数学模型库实例化，具体步骤包括：
S21，分析总结新建元件数学模型库实例化的方案；
S22，编辑元件数学模型外观；
S23，根据所述元件数学模型库派生元件数学模型属性；
S24，将所述元件数学模型外观与所述元件数学模型属性定义关联；
S25，保存元件数学模型库，更新所述元件数学模型库。
优选的是，步骤S22具体包括：
S221，编辑元件数学模型静态外观；
S222，编辑元件数学模型各个状态的动态外观。
优选的是，步骤S23具体包括：
S231，根据元件数学模型派生元件数学模型的基本属性；
S232，根据需求，增加元件数学模型特殊属性。
优选的是，所述三级模型包括：
第一级模型，其是将所有元件均分解为双端元件的最基本类型；所述第一级模型依据二次回路元件之间的关联分为独立元件和关联元件；
第二级模型，其从所述第一级模型派生，所述第二级模型包括端子类、触点类、电阻类、二极管、继电器类、导线、切换开关类七个；以及，
第三级模型：其从所述第二级模型派生；所述第三级模型具体到最细化的一类元件个体；
其中，所述独立元件是元件本身的状态、动作逻辑由自身决定或由外部扰动决定，且元件状态不直接影响其他元件状态，与回路中其他元件无关；所述独立元件包括：端子类、电阻类以及二极管类；
所述关联元件是元件本身的状态或动作逻辑受其他元件影响或者直接影响其他元件的状态；所述关联元件包括触点类、继电器类以及切换开关类。
优选的是，所述端子类包括普通端子和实验端子，所述实验端子分解为所述普通端子加上中间一个开断元件，所述普通端子简化为一个两状态的双端元件。
优选的是，所述电阻类包括电阻和信号元件。
优选的是，所述继电器类分解为一组关联元件的父元件线圈和若干个子元件辅助触点。
优选的是，所述切换开关类包括切换开关、空开、多头铡刀、按钮；所述切换开关类分解为虚拟的父元件切换开关或空开和若干子元件辅助触点。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明根据二次回路元件属性，将变电站二次回路仿真建模的模型系统分成图模一体化并指向具体一类元件的三级模型，建立元件数学模型库；并通过可视化编辑工具基于QT框架的C语言编写将模型实例化，进而生成变电站仿真二次回路，并将所述元件数学模型库的库文件设置为XML格式；使得本发明所述的变电站二次回路仿真建模的元件数学模型库建立合理、准确，不依赖于某一特定仿真系统，其他应用软件可直接读写库文件或通过调用标准接口函数直接与元件数学模型编辑平台交换数据，具有合理、准确、通用的优点。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的变电站二次回路仿真方法的流程图；
图2为本发明所述的基于QT框架的C语言进行编写将元件数学模型库实例化的方法流程图；
图3为本发明所述的编辑元件静态外观和动态外观的图符以及属性定义的平台示意图；
图4为本发明所述的变电站二次回路仿真方法建立的直流电源联系仿真图示意图；
图5为本发明所述的三级模型中瞬时断开常闭触点的派生路径。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明实施方式提供一种变电站二次回路仿真建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，根据二次回路元件属性，将变电站二次回路仿真建模的模型系统分成图模一体化并指向具体一类元件的三级模型，建立元件数学模型库；
S2，通过可视化编辑工具将模型实例化，进而生成变电站仿真二次回路，并将所述元件数学模型库的库文件设置为XML(ExtensibleMarkupLanguage，可扩展标记语言)格式；
其中，所述可视化编辑工具是基于QT框架的C语言编写。
本实施方式中，QT是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架，可建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能，容易扩展，并且允许真正地组件编程。XML能够更精确地声明内容，方便跨越多种平台的更有意义的搜索结果；XML提供了一种描述结构数据的格式，简化了网络中数据交换和表示，使得代码、数据和表示分离，并且是数据交换的标准格式，具有通用性。根据二次回路元件属性，将变电站二次回路仿真建模的模型系统分成图模一体化并指向具体一类元件的三级模型，建立元件数学模型库；并通过可视化编辑工具基于QT框架的C语言编写将模型实例化，进而生成变电站仿真二次回路，并将所述元件数学模型库的库文件设置为XML格式。使得本发明所述的变电站二次回路仿真建模的元件数学模型库建立合理、准确，不依赖于某一特定仿真系统，其他应用软件可直接读写库文件或通过调用标准接口函数直接与元件数学模型编辑平台交换数据，具有合理、准确、通用的优点。
作为本发明实施方式的另一种实施方式，如图2所示，步骤S2中通过基于QT框架的C语言进行编写将所述元件数学模型库实例化，具体步骤包括：
S21，分析总结新建元件数学模型库实例化的方案；
S22，编辑元件数学模型外观；
S23，根据所述元件数学模型库派生元件数学模型属性；
S24，将所述元件数学模型外观与所述元件数学模型属性定义关联；
S25，保存元件数学模型库，更新所述元件数学模型库。
本实施方式中，基于QT框架的C语言进行编写将所述元件数学模型库实例化，主要通过编辑元件数学模型外观、派生元件数学模型属性，并将元件数学模型外观和元件数学模型属性定义关联，以实现元件数学模型库的实例化，具有二次回路简化、二次回路动作逻辑有效的优点。
作为本实施方式的优选方式，步骤S22具体包括：S221，编辑元件数学模型静态外观；S222，编辑元件数学模型各个状态的动态外观。更进一步地优化，步骤S23具体包括：S231，根据元件数学模型派生元件数学模型的基本属性；S232，根据需求，增加元件数学模型特殊属性。编辑元件数学模型静态外观和动态外观图符以及属性定义的平台如图3所示。
编辑元件数学模型的静态外观和各个状态的动态外观，以及派生元件数学模型的基本属性以及某种需求的特殊属性，将元件数学模型的外观和属性均细化，有利于提高二次回路的元件数学模型库实例化的准确性。
作为本发明实施方式的另一种实施方式，所述三级模型包括：
第一级模型，其是将所有元件均分解为双端元件的最基本类型；所述第一级模型依据二次回路元件之间的关联分为独立元件和关联元件；
第二级模型，其从所述第一级模型派生，所述第二级模型包括端子类、触点类、电阻类、二极管、继电器类、导线、切换开关类七个；以及，
第三级模型：其从所述第二级模型派生；所述第三级模型具体到最细化的一类元件个体。
本实施方式中，三级模型构成元件数学模型库，通过可视化编辑工具基于QT框架的C语言进行编写可将元件数学库的元件模型实例化，进而生成仿真二次回路，如下图4所示。
因为大部分的元件都是双端元件，多端元件最多的是双位置继电器(两个先前、4个接线端)，其实，双位置继电器也可以解耦为两个状态相反的继电器元件，即可分解为两个双端元件。所以，第一级模型是最基本类型，将所有元件均分解为双端元件。
独立元件是元件本身的状态、动作逻辑由自身决定或由外部扰动决定，且元件状态不直接影响其他元件状态，与回路中其他元件无关；独立元件包括：端子类、电阻类以及二极管类等等。独立元件的基本属性如表1所示：
表1独立元件的基本属性
关联元件是元件本身的状态或动作逻辑受其他元件影响或者直接影响其他元件的状态；所述关联元件包括触点类、继电器类以及切换开关类。继电器类的元件的关联比较直观，继电器可分解为线圈和若干个触点，线圈状态决定辅助触点的状态。空开和切换开关的模型与此类似，空开和切换开关最终动作结果也是转化为若干个触点的分、合。因此，关联元件可直接分解为一个虚拟元件和一组辅助触点。以两极空开为例，空开分合，导致的结果是两副触点同时分合，去开断或接通两条回路。在建立变电站二次回路仿真建模时，空开即可等效于两个触点，另虚拟一个空开元件作为接受外部扰动(手动操作)的中间件，此虚拟元件不接入任何一条回路。关联元件的基本属性如表2所示：
表2关联元件的基本属性
作为本发明实施方式的另一种实施方式，端子类包括普通端子和实验端子。实际变电站现场，端子排内侧接线至装置背板范围不属于继电保护工作范围，且厂家调试完后基本不出现异常，因此，在建立端子类模型时只考虑端子排外侧接线，所以，实验端子分解为普通端子加上中间一个开断元件，普通端子简化为一个两状态的双端元件。端子类的基本属性如表3所示：
表3端子类元件的基本属性
作为本发明实施方式的另一种实施方式，触点类元件多数是从属于继电器或者切换开关的辅助触点，少数由保护装置内部逻辑驱动的功能接点(例如A相跳闸出口接点，重合闸出口接点等，保护动作出口时接点动作)，另还有一类由外部扰动驱动的，例如压板。触点类元件的基本属性如下表4所示：
表4触点类元件的基本属性
作为本发明实施方式的另一种实施方式，电阻类包括电阻和信号元件。电阻和信号元件均为独立元件，不跟其他元件关联。电阻类元件的基本属性如下表5所示：
表5电阻类元件的基本属性
属性名 类型 说明
id char[64] 标识
exp char[64] 双重命名
nd char[64] 首端节点id
znd char[64] 末端节点id
color Smallint 当前颜色
abnormal int 异常类型，0正常，1断路，2短路
R Float 电阻
作为本发明实施方式的另一种实施方式，二极管类作为一类二次回路特殊元件，其特征明显且数量很少，均为独立元件。二级管类元件的基本属性如表6所示：
表6二级管类的基本属性
作为本发明实施方式的另一种实施方式，继电器类分解为一组关联元件的父元件线圈和若干个子元件辅助触点。继电器是二次回路中一种特殊元件，正是由于继电器的存在使得二次回路区别于普通电路，继电器动作、复归导致若干辅助触点变位从而改变回路状态，使得二次回路分析比普通电路要复杂得多。实际的继电器由线圈和若干辅助触点组成一个元件，本发明提供的变电站二次回路仿真建模方法中，将继电器分解为一个线圈和若干触点分别建模，线圈作为一组关联元件的父元件，决定若干子元件(辅助触点)的状态。继电器类元件的基本属性如表7所示：
表7继电器类的基本属性
属性名 类型 说明
id char[64] 标识
exp char[64] 双重命名
nd char[64] 首端节点id
znd char[64] 末端节点id
R float 电阻
color Smallint 当前颜色
abnormal int 异常类型，0正常，1线圈断线，2线
圈功能失效
State Smallint 状态(0复归，1动作，2异常)
If_parent bit 父元件
Related_ele Char[][64] 可能有多个
relation Int 父元件动作后，子元件的响应逻辑
作为本发明实施方式的另一种实施方式，切换开关类是关联元件，包括切换开关、空开、多头铡刀、按钮。切换开关类与继电器类的区别在于这类元件动作来自于外部扰动(手动操作)，而不是电路状态的变化。切换开关类动作的结果也同样是一个或多个触点同时变位。类似继电器类，切换开关类分解为虚拟的父元件切换开关或空开和若干子元件辅助触点。父元件的共同特征为虚拟，不实际存在于回路中(实际存在于回路中的是其触点)。以两极空开为例。手动操作空开时，其两副触点同时同向(即空开分触点分，空开合触点合)进行变位。在变电站二次回路仿真建模时，将空开等效于两个触点元件分别位于两条回路中，另虚拟一空开元件作为父元件接受外部输入(手动操作)，通过父元件与子元件的关联关系驱动两个触点动作。切换开关类的基本属性如表8所示：
表8切换开关类的基本属性
作为本发明实施方式的另一种实施方式，由二级模型派生而出的三级模型，具体到最细化的某一类元件个体，是与元件外观图形合并为一体的模型，是整个模型体系的最终应用级，可直接实例化用于搭建仿真二次回路。以二级触点类元件为例，可派生出三级模型：瞬时闭合常开触点、瞬时断开常闭触点、延时闭合常开触点等等，以上每一种又可结合不同元件外观(图符)进一步细分。图5即为瞬时断开常闭触点的派生路径。
一级模型为抽象定义，因此元件数学模型从二级开始定义，库文件以XML格式为存储格式，存为元件模板ModelAttributeTemplate.xml，包含7类元件模板。元件库模板定义为通用，不随系统的改变而改变。例如端子模板，在QT框架的C语言进行编写的部分程序如下所示：
<terminalch＝"端子">
<Attributename＝"id"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"1">端子1</Attribute>
<Attributename＝"exp"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"1">端子</Attribute>
<Attributename＝"nd"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"0">首端节点</Attribute>
<Attributename＝"znd"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"0">末端节点</Attribute>
<Attributename＝"device_3d"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"0">对应三维设备</Attribute>
<Attributename＝"ctrlname_3d"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"0">对应三维控件名</Attribute>
<Attributename＝"funkey"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"0">功能逻辑关键字</Attribute>
<Attributename＝"page"type＝"char"values＝"NULL"default＝"NULL"hoverShow＝"1">所在图纸</Attribute>
<Attributename＝"aopen"type＝"int"values＝"断开/接好"default＝"0"hoverShow＝"1">当前状态</Attribute>
<Attributename＝"init_aopen"type＝"int"values＝"断开/接好"default＝"0"hoverShow＝"0">初始状态</Attribute>
</terminal>
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据二次回路元件属性，将变电站二次回路仿真建模的模型系统分成图模一体化并指向具体一类元件的三级模型，建立元件数学模型库；
S2，通过可视化编辑工具将模型实例化，进而生成变电站仿真二次回路，并将所述元件数学模型库的库文件设置为XML格式；
其中，所述可视化编辑工具是基于QT框架的C语言编写。
2.如权利要求1所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，步骤S2中通过基于QT框架的C语言进行编写将所述元件数学模型库实例化，具体步骤包括：
S21，分析总结新建元件数学模型库实例化的方案；
S22，编辑元件数学模型外观；
S23，根据所述元件数学模型库派生元件数学模型属性；
S24，将所述元件数学模型外观与所述元件数学模型属性定义关联；
S25，保存元件数学模型库，更新所述元件数学模型库。
3.如权利要求2所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，步骤S22具体包括：
S221，编辑元件数学模型静态外观；
S222，编辑元件数学模型各个状态的动态外观。
4.如权利要求2所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，步骤S23具体包括：
S231，根据元件数学模型派生元件数学模型的基本属性；
S232，根据需求，增加元件数学模型特殊属性。
5.如权利要求1-4中任一项所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，所述三级模型包括：
第一级模型，其是将所有元件均分解为双端元件的最基本类型；所述第一级模型依据二次回路元件之间的关联分为独立元件和关联元件；
第二级模型，其从所述第一级模型派生，所述第二级模型包括端子类、触点类、电阻类、二极管、继电器类、导线、切换开关类七个；以及，
第三级模型：其从所述第二级模型派生；所述第三级模型具体到最细化的一类元件个体；
其中，所述独立元件是元件本身的状态、动作逻辑由自身决定或由外部扰动决定，且元件状态不直接影响其他元件状态，与回路中其他元件无关；所述独立元件包括：端子类、电阻类以及二极管类；
所述关联元件是元件本身的状态或动作逻辑受其他元件影响或者直接影响其他元件的状态；所述关联元件包括触点类、继电器类以及切换开关类。
6.如权利要求5所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，所述端子类包括普通端子和实验端子，所述实验端子分解为所述普通端子加上中间一个开断元件，所述普通端子简化为一个两状态的双端元件。
7.如权利要求5所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，所述电阻类包括电阻和信号元件。
8.如权利要求5所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，所述继电器类分解为一组关联元件的父元件线圈和若干个子元件辅助触点。
9.如权利要求5所述的变电站二次回路仿真建模方法，其特征在于，所述切换开关类包括切换开关、空开、多头铡刀、按钮；所述切换开关类分解为虚拟的父元件切换开关或空开和若干子元件辅助触点。
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